Desarenador tipos

UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR
FACULTAD DE INGENIERÍA, CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICA
CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL
“BASES PARA EL DISEÑO HIDRÁULICO DE LA ESTRUCTURA DE
SALIDA, CANAL DE RECOLECCIÓN Y TANQUE DE CARGA ENTRE
20 m3
/s ≥ Q ≥ 2m3
/s PARA DESARENADORES EN
APROVECHAMIENTOS HIDROELÉCTRICOS”
TRABAJO DE GRADUACIÓN PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO
DE INGENIERO CIVIL
OPCIÓN HIDRÁULICA
AUTOR: LÓPEZ MOYA ALEJANDRO PAÚL
TUTOR: DR. ING. MARCO ANTONIO CASTRO DELGADO
Quito-Ecuador
2013

ii
DEDICATORIA
Este trabajo lo dedico principalmente a mis padres Patricia y Rigoberto,
que con su esfuerzo incondicional me han alentado y apoyado en todo
momento con principios y valores, a mi hermano Mauricio quien ha sido
un ejemplo para mí.
De igual manera a Wendy por todo su apoyo durante toda mi carrera y a
la memoria de Zenaida Villagómez, Andrés Moya, Juan F. Simbaña
quienes han sido pilar fundamental en mi crecimiento personal.
Paúl López M.

iii
AGRADECIMIENTO
Agradezco, principalmente a Dios por darme la fortaleza, salud, bienestar
y bendiciones. A mis padres por todo el apoyo incondicional que me han
brindado para alcanzar esta meta.
A la Universidad Central del Ecuador, Facultad de Ingeniería Ciencias
Físicas y Matemática; personal docente que transmitieron sus
conocimientos a lo largo de mi carrera estudiantil.
A mi director de tesis Dr. Ing. Marco Castro, de igual manera a los Ing.
Jaime Gutiérrez y Salomón Jaya quienes han colaborado para la
realización de esta tesis.
Paúl López M.

viii
CONTENIDO
DEDICATORIA ...........................................................................................ii
AGRADECIMIENTO ..................................................................................iii
AUTORIZACIÓN DE LA AUTORÍA INTELECTUAL ..................................iv
CERTIFICACIÓN........................................................................................v
CONTENIDO ........................................................................................... viii
RESUMEN...............................................................................................xix
SUMMARY................................................................................................xx
CERTIFICACIÓN.....................................................................................xxi
CAPÍTULO I
1. INTRODUCCIÓN ......................................................................- 1 -
1.1. DESARROLLO Y BENEFICIO DE LOS APROVECHAMIENTOS
HIDROELÉCTRICOS EN EL ECUADOR..................................- 1 -
1.2. DESCRIPCIÓNGENERAL DE OBRAS DE TOMA PARA
APROVECHAMIENTOS HIDROELÉCTRICOS ........................- 3 -
1.3. CARACTERÍSTICAS FUNDAMENTALES DE LOS
DESARENADORES Y SU CLASIFICACIÓN ............................- 4 -
1.3.1. Desarenador .............................................................................- 4 -
1.3.2. Clasificación en función de operación.......................................- 4 -
1.3.3. Clasificación en función de la velocidad de escurrimiento ........- 6 -
1.3.4. Clasificación por el sistema de evacuación...............................- 7 -
1.3.5. Clasificación por el número de operaciones..............................- 8 -
1.3.6. Clasificación por la disposición de los desarenadores .............- 8 -

ix
1.4. OBJETIVOS, ALCANCEY JUSTIFICACIÓN DEL PROYECTO DE
TITULACIÓN.............................................................................- 9 -
1.4.1. Objetivo general ........................................................................- 9 -
1.4.2. Objetivos específicos ................................................................- 9 -
1.4.3. Alcance .....................................................................................- 9 -
1.4.4. Justificación............................................................................. - 10 -
CAPÍTULO II
2. GENERALIDADES DEL DESARENADOR, VERTEDERO DE
SALIDA DEL DESARENADOR, VERTEDERO LABERINTO,
CANAL DE RECOLECCIÓN Y TANQUE DE CARGA ............ - 11 -
2.1. DESARENADOR..................................................................... - 11 -
2.2. VERTEDERO A LA SALIDA DEL DESARENADOR............... - 11 -
2.2.1. Introducción............................................................................. - 11 -
2.3. VERTEDERO LABERINTO..................................................... - 14 -
2.3.1. Uso del vertedero en laberinto ................................................ - 14 -
2.3.2. Geometría de vertedero laberinto ........................................... - 15 -
2.3.3. Perfiles empleados en vertedero laberinto.............................. - 16 -
2.4. CANAL DE RECOLECCIÓN ................................................... - 17 -
2.4.1. Clases de canales abiertos ..................................................... - 17 -
2.4.2. Factores que afectan la filtración de los canales..................... - 17 -
2.4.3. Espesor de revestimiento........................................................ - 19 -
2.4.4. Geometría del canal................................................................ - 19 -
2.4.5. Sección transversal más eficiente........................................... - 20 -

x
2.5. DESCRIPCIÓN GENERAL Y FUNCIONAMIENTO DE UNA
TRANSICIÓN.......................................................................... - 22 -
2.6. TANQUE DE CARGA.............................................................. - 23 -
2.6.1. Localización del tanque de carga............................................ - 23 -
2.6.2. Funciones................................................................................ - 23 -
2.6.3. Partes constitutivas ................................................................. - 23 -
2.6.4. Transición de entrada.............................................................. - 24 -
2.6.5. Compuerta y vertedero de excesos ........................................ - 24 -
CAPÍTULO III
3. DESCRIPCIÓN DE LOS FLUJOS Y CURVAS DE DESCARGAEN
UN CANAL, VERTEDERO DE SALIDA DEL DESARENADOR Y
VERTEDERO LABERINTO..................................................... - 26 -
3.1. FLUJO EN UN CANAL............................................................ - 26 -
3.1.1. Tipos de flujo y clasificación en el canal recolector................. - 26 -
3.1.2. Flujo uniforme ......................................................................... - 28 -
3.1.3. Flujo Gradualmente Variado ................................................... - 28 -
3.1.3.1. Características de los perfiles de flujo..................................... - 28 -
3.1.3.2. Flujo espacialmente variado.................................................... - 34 -
3.1.4. Flujo Rápidamente Variado..................................................... - 35 -
3.1.5. Flujo no permanente gradualmente variado............................ - 36 -
3.1.6. Flujo no permanente rápidamente variado.............................. - 36 -
3.2. FLUJO SOBRE VERTEDEROS.............................................. - 36 -
3.2.1. Capacidad de descarga en vertederos de rebose................... - 36 -

xi
3.2.2. Flujo a la salida del vertedero ................................................. - 39 -
3.3. FLUJO EN EL VERTEDERO LABERINTO............................. - 40 -
3.3.1. Flujo a la salida del vertedero ................................................. - 41 -
CAPÍTULO IV
4. BASES PARA EL DIMENSIONAMIENTO DEL VERTEDERO DE
CANAL DE RECOLECCIÓN Y TANQUE DE CARGA. ........... - 42 -
4.1. PARÁMETROS GENERALES PARA EL DISEÑO DE UN
DESARENADOR..................................................................... - 42 -
4.2. PARÁMETROS GENERALES PARA EL DISEÑO DEL
VERTEDERO DE SALIDA DEL DESARENADOR Y
COEFICIENTES DE DESCARGA........................................... - 42 -
4.2.1. Clasificación de vertederos según su forma geométrica......... - 44 -
4.2.2. Clasificación de vertederos según el ancho de pared............. - 49 -
4.2.3. Vertedero de cresta redondeada............................................. - 52 -
4.2.4. Forma de la cresta de vertedero de rebose tipo WES ............ - 54 -
4.2.5. Coeficientes de descarga para vertederos tipo WES.............. - 56 -
4.2.6. Datos generales para el diseño a la salida del vertedero........ - 62 -
4.3. PARÁMETROS GENERALES DE DISEÑO DEL VERTEDERO
LABERINTO............................................................................ - 65 -
4.3.1. Coeficiente de descarga para vertedero de laberinto.............. - 66 -
4.4. PARÁMETROS GENERALES PARA EL CANAL DE
RECOLECCIÓN...................................................................... - 67 -
4.4.1. Velocidades admisibles........................................................... - 68 -
4.4.2. Diseño de secciones hidráulicas ............................................. - 70 -

xii
4.4.2.1. Criterios de diseño .................................................................. - 73 -
4.5. PARÁMETROS GENERALES PARA EL TANQUE DE CARGA- 79 -
4.5.1. Tanque reservorio ................................................................... - 79 -
4.5.2. Rejilla de entrada a la tubería de presión................................ - 80 -
CAPÍTULO V
5. ELABORACIÓN DE UNA HOJA DE CÁLCULO PARA EL
DIMENSIONAMIENTO BÁSICO DEL VERTEDERO DE SALIDA,
VERTEDERO LABERINTO, CANAL DE RECOLECCIÓN Y
TANQUE DE CARGA.............................................................. - 83 -
5.1. INTRODUCCIÓN .................................................................... - 83 -
5.2. DISEÑO HIDRÁULICO DEL VERTEDERO DE SALIDA DEL
DESARENADOR PARA CAUDALES ENTRE
..................................................................................... - 85 -
5.3. DISEÑO DEL CANAL.............................................................. - 90 -
5.4. DISEÑO DEL VERTEDERO LABERINTO.............................. - 92 -
5.5. DISEÑO DEL TANQUE DE CARGA....................................... - 93 -
5.6. MEMORIA DE CÁLCULO ....................................................... - 95 -
CAPÍTULO VI
6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ........................ - 110 -
6.1. CONCLUSIONES GENERALES........................................... - 110 -
6.2. CONCLUSIONES PARTICULARES ..................................... - 110 -
6.3. RECOMENDACIONES ......................................................... - 113 -
GLOSARIO DE TÉRMNOS ............................................................... - 114 -
BIBLIOGRAFÍA.................................................................................. - 115 -

xiii
LISTA DE FIGURAS
Figura No 1.1 Descripción del sistema hidroeléctrico ............................- 1 -
Figura No 1.2 Obras de toma.................................................................- 3 -
Figura No 1.3 Desarenador de lavado continuo ....................................- 4 -
Figura No 1.4 Desarenador de lavado discontinuo o intermitente. ........- 5 -
Figura No 1.5 Desarenador mixto..........................................................- 6 -
Figura No 1.6 Desarenador con evacuación repartida...........................- 7 -
Figura No 1.7 Desarenador con cámaras en paralelo. ..........................- 8 -
Figura No 2.1 Tipos de vertederos.......................................................- 13 -
Figura No 2.2 Esquema de vertedero laberinto ...................................- 14 -
Figura No 2.3 Tipos de vertedero laberinto..........................................- 16 -
Figura No 2.4 Perfiles de la cresta del vertedero laberinto ..................- 17 -
Figura No 2.5 Secciones de canales. ..................................................- 20 -
Figura No 2.6 Secciones transversales de Qmáx (diseño óptimo) ......- 21 -
Figura No 2.7 Transición del desarenador...........................................- 22 -
Figura No 2.8 Partes del tanque de carga ...........................................- 24 -
Figura No 3.4 Clasificación del flujo en el canal ..................................- 27 -
Figura No 3.5 Flujo Gradualmente Variado .........................................- 29 -
Figura No 3.6 Zonas del perfil del flujo ................................................- 30 -
Figura No 3.7 Perfiles en función de la pendiente del canal................- 33 -
Figura No 3.1 Alturas para la forma estándar de vertedero WES (U.S
Army Engineers Waterways Experiment Station) ................................- 37 -

xiv
Figura No 3.2 Relación altura-caudal para las formas estándar de
vertederos WES...................................................................................- 38 -
Figura No 3.3 Radio inferior del vertedero ...........................................- 40 -
Figura No 3.4 Perfiles de vertido sobre el vertedero laberinto .............- 40 -
Figura No 4.1 Vertedero de pared delgada sin contracciones. ............- 44 -
Figura No 4.2 Vertedero rectangular con o sin contracciones laterales.......
.............................................................................................................- 46 -
Figura No 4.3 Vertedero triangular.......................................................- 47 -
Figura No 4.4 Vertedero trapezoidal....................................................- 48 -
Figura No 4.5 Vertedero rectangular de pared delgada con contracciones .
.............................................................................................................- 49 -
Figura No 4.6 Vertedero rectangular de pared delgada y pared gruesa ......
.............................................................................................................- 50 -
Figura No 4.7 Vertedor de cresta circular y talud inclinado, aguas abajo ....
.............................................................................................................- 52 -
Figura No 4.8 Vertedero de cresta circular y talud vertical, aguas abajo .....
.............................................................................................................- 53 -
Figura No 4.9 Vertedor de cresta elíptica y talud inclinado, aguas abajo ....
.............................................................................................................- 53 -
Figura No 4.10 Formas estándar del vertedero WES (Waterways
Experiment Station) .............................................................................- 55 -
Figura No 4.11 Coeficientes de descarga para las crestas de cimacio en
pared vertical .......................................................................................- 57 -
Figura No 4.12 Coeficiente de descarga para cargas diferentes de las del
proyecto ...............................................................................................- 58 -
Figura No 4.13 Coeficiente de descarga para una cresta de vertedero con
paramento de aguas arriba inclinado...................................................- 59 -

xv
Figura No 4.14 Relación de coeficientes de descarga debida al efecto de
lavadero ...............................................................................................- 60 -
Figura No 4.15 Relación de coeficientes de descarga debida al efecto del
agua de la descarga ............................................................................- 61 -
Figura No 4.16 Factores que influyen en el vertedero .........................- 62 -
Figura No 4.17 Relaciones analíticas entre F y h/y1para un vertedero de
cresta ancha (Foster y Skrir)................................................................- 63 -
Figura No 4.18 Longitud en términos de altura secuente y2 en un resalto
hidráulico en canal horizontal...............................................................- 64 -
Figura No 4.19 Coeficientes de descarga del vertedero laberinto para
diferentes ángulos................................................................................- 66 -
Figura No 4.20 Curva para determinar el tirante normal......................- 72 -
Figura No 4.21 Tipos de sección de canales .......................................- 73 -
Figura No 4.22 Esquema de rejilla.......................................................- 81 -
Figura No 5.1 Formato de una hoja de cálculo tipo .............................- 84 -

xvi
LISTA DE CUADROS
Cuadro No 1.1 Generación de Centrales Hidroeléctricas del Ecuador ..- 2 -
Cuadro No 2.1 Valores teóricos de elevación de agua. .......................- 18 -
Cuadro No 2.2 Pérdida en % del caudal por Km para canales............- 18 -
Cuadro No 2.3 Características óptimas de canales.............................- 21 -
Cuadro No 3.1 Tipo de perfil................................................................- 29 -
Cuadro No 3.2 Tipo del régimen de flujo .............................................- 30 -
Cuadro No 3.3 Relación de y, yn, yc....................................................- 31 -
Cuadro No4.1 Valores característicos de Cd.......................................- 47 -
Cuadro No 4.2 para vertederos de pared gruesa con descarga
ahogada...............................................................................................- 51 -
Cuadro No 4.3 Radios y diámetros para el diseño del vertedero WES - 55 -
Cuadro No 4.4 Constantes k y n para diferentes pendientes del paramento
.............................................................................................................- 55 -
Cuadro No 4.5 Coeficientes de a curva de diseño para vertedero laberinto
.............................................................................................................- 67 -
Cuadro No 4.7 Taludes apropiados para distintos tipos de material....- 74 -
Cuadro No 4.6 Valores de rugosidad “n” de Manning..........................- 75 -
Cuadro No 4.8 Máxima velocidad permitida en canales no recubiertos de
vegetación ...........................................................................................- 76 -
Cuadro No 4.9 Velocidades máximas en hormigón en función de su
resistencia............................................................................................- 77 -
Cuadro No 4.10 Borde libre en función del caudal...............................- 78 -
Cuadro No 4.11 Borde libre en función de la plantilla del canal...........- 79 -

xvii
Cuadro No 4.12 Valores de separación de pletinas para cada turbina - 80 -
Cuadro No 4.13 Coeficiente μ para barras de la rejilla. .......................- 82 -
Cuadro No 4.14 Coeficiente μ para barras de la rejilla. .......................- 82 -
Cuadro No 5.1 Esquema del vertedero................................................- 85 -
Cuadro No 5.2 Ingreso de datos del vertedero ....................................- 86 -
Cuadro No 5.3 Comentarios en la hoja de cálculo...............................- 86 -
Cuadro No 5.4 Resultados del vertedero.............................................- 86 -
Cuadro No 5.5 Paramentos del vertedero ...........................................- 87 -
Cuadro No 5.6 Diseño del perfil del vertedero .....................................- 89 -
Cuadro No 5.7 Diseño del disipador de energía del vertedero ............- 89 -
Cuadro No 5.8 Ingreso de datos del canal...........................................- 90 -
Cuadro No 5.9 Resultados del canal rectangular.................................- 91 -
Cuadro No 5.10 Cálculo del vertedero laberinto ..................................- 92 -
Cuadro No 5.11 Diseño hidráulico del tanque de carga.......................- 94 -

xviii
LISTA DE FOTOGRAFÍAS
Fotografía No 2.1 Vertedero a la salida del desarenador ...................- 12 -
Fotografía No 2.2 Vertedero laberinto .................................................- 15 -
Fotografía No 2.3 Compuerta y vertedero de excesos .......................- 25 -
Fotografía No 3.1 Canal a superficie libre ...........................................- 26 -
Fotografía No 4.1 Rejilla en el tanque de carga ..................................- 81 -
LISTA DE GRÁFICOS
Gráfico No 4.1 Coeficiente para vertedero de pared gruesa con descarga
ahogada...............................................................................................- 51 -

xix
RESUMEN
“BASES PARA EL DISEÑO HIDRÁULICO DE LA ESTRUCTURA DE
SALIDA, CANAL DE RECOLECCIÓN Y TANQUE DE CARGA ENTRE
PARA DESARENADORES EN
APROVECHAMIENTOS HIDROELÉCTRICOS”
Este trabajo resume las bases para el diseño hidráulico de la estructura
de salida del desarenador (vertedero), canal de recolección y tanque de
carga para caudales comprendidos entre 2 y 20 para
desarenadores en aprovechamientos hidroeléctricos.
Estas obras de captación se aplican a mini centrales hidroeléctricas que
no contengan embalse, es decir a centrales de agua fluyente que se
caracteriza por el desvío parcial del agua del río mediante una toma, y a
través de canales se transporta el agua hasta el tanque de carga y llega a
la casa de máquinas donde se turbina para generar energía. A diferencia
de las centrales de pie de presa que se caracterizan por tener un embalse
suficientemente grande para abastecer a la casa de máquinas por medio
del túnel de carga y tuberías de alta presión.
Además de estas obras de captación se implementa en este trabajo, el
diseño del vertedero laberinto, con la particularidad de la forma del
vertedero, que es asimilable a un zig-zag; con el propósito de aumentar la
capacidad útil del embalse en un determinado espacio disponible, ya sea
desarenador o presa.
DESCRIPTORES: MINICENTRALES HIDROELÉCTRICAS / OBRAS
HIDRÁULICAS / DESARENADOR HIDRÁULICO / CANAL DE
RECOLECCIÓN / TANQUE DE CARGA / VERTEDERO CREAGER /
VERTEDERO LABERINTO / FLUJO EN CANALES / COEFICIENTES DE
DESCARGA / CURVAS DE DESCARGA

xx
SUMMARY
“BASIS FOR THE HYDRAULIC DESIGN OF THE OUTTAKE
STRUCTURE, CHANNEL COLLECTION, AND TANK LOAD, WITH
FLOWS FROM FOR SAND TRAPS IN
HYDROELECTRIC PLANTS”
This job summarizes the bases for the hydraulic design of a structure
about the sand trap’s outlet (spillway), collection canal and load tank for
water flows between 2 y 20 for sand traps in hydraulic water
resources uses.
These training workshops are applied to mini hydraulic power plants that
doesn’t have reservoir, that is flowing water power plants that are
characterized for the river’s water partial detour by means of an outlet, and
trough the canals the water is transported to the load tank then goes to
the machine room where it propels a turbine for energy generation. Unlike
dam power plants that are characterized for having a large enough
reservoir to supply the machine room by the use of a load tunnel and high
pressure piping.
On top of these training workshops there is an implementation work for the
design of a labyrinth spillway, with the particularity of the shape of the
spillway, which is similar to a zigzag, with the purpose of increasing the
reservoir’s useful capacity in a certain available space, either sand trap or
dam.
WORDS: SMALL HIDRO / HIDRAULIC STRUCTURES / SAND TRAP /
SAND TRAP / CHANNEL COLLECTION / TANK LOAD / SPILLWAY /
LABIRINTH SPILLWAY / FLOW / DISCHARGE COEFFICIENTS /
CURVES DISCHARGE

- 1 -
CAPÍTULO I
1. INTRODUCCIÓN
1.1. DESARROLLO Y BENEFICIO DE LOS APROVECHAMIENTOS
HIDROELÉCTRICOS EN EL ECUADOR.
Los sistemas micro hidroeléctricos aprovechan los recursos hídricos sin
deteriorar el medio ambiente. Sus obras civiles son de bajo impacto
ambiental pues en la mayoría de los casos no requieren de represas que
inundan tierras fértiles o de reserva natural, debido a que el caudal de
toma para la mini central se encuentra en al rango de 2 m3
/s a 20 m3
/s.
Por lo general las centrales hidroeléctricas comprenden de las siguientes
estructuras hidráulicas: una bocatoma, desarenador, canal de conducción,
cámara de carga, tubería de presión, chimenea de equilibrio, casa de
máquinas, edificio central con equipamiento electro-mecánico, canal de
descarga, subestación y línea eléctrica. Adicionalmente podrá ser
necesario instalar una red de baja o media tensión para interconexión
eléctrica.
Figura No 1.1 Descripción del sistema hidroeléctrico
Fuente: Manual de Energías Renovables. Minicentrales Hidroeléctricas.
En el Ecuador, CELEC 2013 (Corporación Eléctrica del Ecuador)
desarrolla varios proyectos hidroeléctricos a lo largo y ancho del territorio
Nacional, que se describe en el Cuadro No 1.1

- 2 -
Cuadro No 1.1 Generación de Centrales Hidroeléctricas del Ecuador
Unidad de
Negocio
CENTRAL
Capacidad
(MW)
Tipo
Total
(MW)
Hidropaute
Paute 1100
Hidro 1926
Mazar 160
Hidroagoyan
Agoyán 156
Pucará 73
San Francisco 224
Hidronación Marcel Laniado 213
Termoesmeraldas Esmeraldas 132
Vapor 411
Electroguayas
Trinitaria 133
Gonzalo Zevallos 146
Santa Elena 90 MCI 90
Pascuales 96
Gas 451.8
Pascuales II 132
Gonzalo Zevallos TG4 20
Termogas
Machala
Gas Machala 132
Termopichincha
Miraflores TG1 Manta 22
Santa Rosa
1,2,3_16.6MW c/u
49.8
La Propicia 1 y2=3.6
MW c/u,U3=2MW
9.2
MCI 193.8
Miraflores: (U7, 8, 16,
18, 22, 9, 10, 13, 14,
15, 3)=2MW c/u
(U11,U12)=5MW c/u
32
Guangopolo
(1,2,3,4,5,6) =5.1 MW
c/u_ U7=1.6MW
32.2
Manta II 20.4
Quevedo 100
TOTAL DE GENERACION INSTALADA (MW) 3072.6
Fuente: Corporación Eléctrica del Ecuador (CELEC) 2013
Mediante el diagnóstico de aprovechamientos hidroeléctricos en el
Ecuador se determina que las centrales hidroeléctricas: Hidropaute,
Hidroagoyán, Hidronación; aportan con 1926 MW, siendo el 63% de
generación instalada en el Ecuador para el año 2013.

- 3 -
1.2. DESCRIPCIÓNGENERAL DE OBRAS DE TOMA PARA
APROVECHAMIENTOS HIDROELÉCTRICOS
Para optimizar el aprovechamiento hidroeléctrico se debe hacer un
estudio aguas arriba dela captación, hasta aguas abajo en la casa de
máquinas, Figura 1.2, dado que este proceso se efectúa por medio de la
gravedad, es decir que la velocidad del flujo es prácticamente constante a
lo largo del cauce, la potencia y energía cumplen un rol importante en una
central hidroeléctrica para la generación de electricidad. Se requiere
optimizar estas características mediante estructuras hidráulicas con la
finalidad de desarrollar su capacidad máxima. Para el desarrollo del tema
se asume una bocatoma directa donde se capta un caudal máximo de
sin ningún almacenamiento, dada que su función principal es
asegurar la derivación permanente del caudal de diseño, captar el mínimo
de sólidos disponiendo de medios apropiados para su evacuación y
presentar aguas abajo suficiente capacidad de transporte para evitar la
sedimentación; el agua se traslada por canales hasta llegar al
desarenador y posteriormente a un vertedero de salida, pasando por un
canal de recolección hasta llegar al tanque de carga.
Figura No 1.2 Obras de toma
Fuente: Prediseño del Proyecto Hidroeléctrico Quijos.

- 4 -
1.3. CARACTERÍSTICAS FUNDAMENTALES DE LOS
DESARENADORES Y SU CLASIFICACIÓN
1.3.1. Desarenador1
El desarenador tiene como finalidad la separación y eliminación de
partículas sólidas como la arcilla, arenas finas y gruesas que son
transportadas en el escurrimiento de agua.
La separación de las partículas sólidas retenidas se lo realiza antes de
que ingrese el agua a la conducción principal, con la finalidad de evitar
que se produzcan sedimentos en la conducción y desgaste desmedido del
equipo electromecánico.
1.3.2. Clasificación en función de operación
Desarenador de lavado continuo
Es aquel en el que la sedimentación y evacuación son dos operaciones
simultáneas, la función del desarenador de lavado continuo es dividir el
agua que ingresa al desarenador en dos capas, la primera situad al fondo
que contiene sedimentos más pesados y que encausa a una galería
longitudinal de pequeña sección, y la otra situada encima de la anterior
capa descrita para producir sedimentación. Las capas de agua son
separadas mediante una reja de vigas de hormigón o de madera en la
dirección del agua, Figura No.1.3
Figura No 1.3 Desarenador de lavado continuo
Elaboración: Alejandro López M.
1
Coronado Del Águila. El Desarenador

- 5 -
Desarenador de lavado discontinuo o intermitente
Es aquel que recolecta los sedimentos en suspensión y los que están en
el fondo del canal, para la limpieza se realiza la evacuación por medio de
un canal o tubería de desagüe que se hará en el menor tiempo posible, o
en este caso se construirá 2 o más cámaras desarenadoras, o un canal
de paso directo. Se recomienda que esta estructura se ubique
inmediatamente después de la captación, luego de un canal para obtener
una velocidad de conducción uniforme. Figura No.1.4
Este tipo de desarenador se compone fundamentalmente de: transición
de entrada, cámara de sedimentación, vertedero de salida, compuerta de
lavado, transición de salida, canal directo.
Figura No 1.4 Desarenador de lavado discontinuo o intermitente.
Fuente: Coronado Del Águila. El desarenador
Mixtos, continuo – discontinuo
Son soluciones de gran interés en pequeños torrentes o aquellos donde
los aportes sólidos son muy variables. Son desarenadores de tipo
continuo con cierta modificación que en algunos casos permite almacenar
y luego expulsar los sedimentos en movimiento separados. Figura No. 1.5

- 6 -
Figura No 1.5 Desarenador mixto.
1.3.3. Clasificación en función de la velocidad de escurrimiento
De baja velocidad v < 1 m/s (0,20 – 0,60 m/s)
Puede asegurar la eliminación de partículas de 0,15 mm de diámetro, se
caracteriza por la forma de tolva con fuertes taludes de su sección
transversal, por sus orificios de purga poco espaciados entre 1 a 2 m y
con secciones decrecientes aguas abajo, por sus vanos de evacuación
auxiliar y vanos de aislamiento que permiten la limpieza de los tanques y
por unos vanos de gran dimensión ubicado aguas arriba como trampa de
gravas. Generalmente el consumo de agua en la purga varía entre el 5%
al 10% del gasto derivado. Figura No 1.5
De alta velocidad v > 1 m/s (1,00 – 1,50 m/s)
Esta velocidad es suficiente para arrastrar el material depositado hacia los
orificios de purga situados en el extremo aguas abajo de la estructura. El
consumo de agua puede considerarse comprendido entre el 2% y el 10%
del gasto derivado. Presenta dificultades en la selección de la velocidad
de dimensionamiento ya que su límite inferior de aproximadamente 1 m/s
reduce la eliminación de partículas en general menores a 0,50 mm de
diámetro, con velocidades menores se puede provocar la decantación que
no sucede con estas velocidades.

- 7 -
1.3.4. Clasificación por el sistema de evacuación
Con evacuación repartida
Este sedimentador tiene un tanque con un fondo con paredes inclinadas
hacia una ranuras centrales donde se disponen las purgas que están
repartidas a lo largo del desarenador y cuya regulación se realiza con una
compuerta aguas abajo. Figura No. 1.6.
Figura No 1.6 Desarenador con evacuación repartida.
Con evacuación por arrastre
Son aquellos provistos por un degravador aguas arriba de modo que evita
el paso de las piedras y gravas hasta el desarenador. Se utiliza
desarenadores de alta y baja velocidad.
Mixtos
Con evacuación por arrastre – repartida: desarenadores de alta y de baja
velocidad.

- 8 -
1.3.5. Clasificación por el número de operaciones
Por operaciones encontramos por simple decantación que es donde se
encuentran los desarenadores de baja velocidad y de alta velocidad, y los
de doble y múltiple decantación, donde se ubican los desarenadores
mixtos de evacuación por arrastre y repartida, forman un sistema de
conducción y sedimentación que puede ser un canal con una trinchera en
su fondo, un repartidor horizontal que derive los depósitos en el fondo
hasta un segundo depósito, donde se active la sedimentación.
1.3.6. Clasificación por la disposición de los desarenadores
Por disposición encontramos en serie que se forma por dos o más
cámaras construidas una a continuación dela otra, en paralelo que se
forma por dos o más depósitos distribuidos uno a lado del otro y
diseñados para una fracción del caudal derivado y los de disposición
mixta que es la combinación de dos o más desarenadores en serie
construidos paralelamente con capacidad para una fracción del gasto
derivado. Figura No. 1.7
Figura No 1.7 Desarenador con cámaras en paralelo.

- 9 -
1.4. OBJETIVOS, ALCANCEY JUSTIFICACIÓN DEL PROYECTO DE
TITULACIÓN
1.4.1. Objetivo general
Establecer las bases del diseño hidráulico de un desarenador
comprendido desde el vertedero de salida, canal de conducción y tanque
de carga; obras hidráulicas que son parte de las mini centrales
hidroeléctricas que operan con caudales comprendidos entre de 2m3
/s a
20m3
/s
1.4.2. Objetivos específicos
 Diagnóstico de aprovechamientos hidroeléctricos del Ecuador para
mini centrales hidroeléctricas.
 Desarrollar el diseño hidráulico de un vertedero laberinto para la
medición de caudales que ingresa a la mini central hidroeléctrica.
 Elaborar las bases para el diseño hidráulico de la estructura de
salida, canal de recolección y tanque de carga para
para desarenadores en aprovechamientos hidroeléctricos.
 Elaborar una hoja de cálculo mediante la herramienta electrónica
Microsoft Excel, con la finalidad de aportar al usuario de forma
práctica el diseño hidráulico del vertedero de salida del
desarenador, canal de recolección, tanque de carga y vertedero
laberinto.
 Describir los pasos del diseño hidráulico de las obras de toma por
medio de la memoria técnica de cálculo.
1.4.3. Alcance
El proyecto de titulación busca dar al usuario un manual con las bases de
diseño hidráulico, donde se exponen los fundamentos teóricos del
vertedero de salida del desarenador, canal de recolección, tanque de
carga y vertedero laberinto; apoyado de una hoja de cálculo en la que se
pueda simular las alternativas de diseño de estas obras de captación, que
será enfocado para caudales menores de

- 10 -
1.4.4. Justificación
La realización de las bases del diseño hidráulico desde la estructura de
salida de un desarenador (vertedero), canal de conducción y tanque de
carga que está enfocado a mini centrales hidroeléctricas, es la propuesta
al desarrollo de un manual con bases de diseño para estas estructuras
hidráulicas, con la finalidad de desarraigar las inquietudes y promover la
elaboración de diseños hidráulicos para el usuario, por medio de una
investigación y compilación de información que expondrá el
comportamiento de flujo y geometría de las obras de captaciones
mencionadas; y estará sustentada por medio de una hoja de cálculo,
esperando alcanzar un soporte útil para la elaboración de modelos y
proyectos hidráulicos.

- 11 -
CAPÍTULO II
2. GENERALIDADES DEL DESARENADOR, VERTEDERO DE
CANAL DE RECOLECCIÓN Y TANQUE DE CARGA
2.1. DESARENADOR
Los factores que se consideran para un buen proceso de desarenación
son: temperatura, viscosidad del agua; tamaño, forma y porcentaje a
remover de la partícula de diseño, eficiencia de la pantalla deflectora.
El desarenador está constituido por una transición en la unión del canal de
llegada al desarenador con el efecto de asegurar la uniformidad de la
velocidad en la zona de entrada.
Para un desarenador en paralelo, se deberá considerar el número mínimo
de unidades de 2cámaraspor efectos de mantenimiento y abastecimiento.
Figura No 1.7
Para caudales pequeños se contará con una sola cámara de
desarenación. Figura No 1.3
La sedimentación de arena fina para diámetros menores a 0,01 cm se
efectúa en forma más eficiente en régimen laminar con valores de número
de Reynolds menores de uno (Re<1,0), la sedimentación de arena gruesa
se efectúa en régimen de transición con valores de Reynolds entre 1,0 y
1.000 y la sedimentación de grava se efectúa en régimen turbulento con
valores de número de Reynolds mayores de mil2
2.2. VERTEDERO A LA SALIDA DEL DESARENADOR
2.2.1. Introducción
Este vertedero se encuentra ubicado a la salida de la cámara de
sedimentación, Fotografía No 2.1, el trabajo que debe realizar esta
estructura es el control del flujo de la cámara de sedimentación,
alcanzando velocidades máximas de 1 m/s para causar la menor
turbulencia y arrastre de materiales en suspensión, de tal forma que pasa
2
Guía para el Diseño de desarenadores y sedimentadores, Organización Panamericana de la
Salud. Lima

- 12 -
al canal de recolección sin sedimentos, este procedimiento se realiza a
descarga libre.
Fotografía No 2.1 Vertedero a la salida del desarenador
Fuente: Empresa Eléctrica Quito, Central Hidroeléctrica Guangopolo.
Cuando la descarga se efectúa sobre un muro o placa con perfil de
cualquier forma y con arista aguda, el vertedero se llama de pared
delgada; y si el contacto entre la pared y la lámina vertiente es toda una
superficie, el vertedero es de pared gruesa. El vertedero de pared delgada
se usa básicamente para canales pequeños, el vertedero de pared gruesa
se usa para obras de control y para aforos en canales grandes.
En las obras de ingeniería hidráulica, por ejemplo en una presa, se
construyen vertederos para que cumplan la función de aliviaderos. Sin
embargo, son a la vez estructuras aforadoras de caudal.
CÁMARA DE
SEDIMENTACIÓN
VERTEDERO

- 13 -
Figura No 2.1 Tipos de vertederos

- 14 -
2.3. VERTEDERO LABERINTO
Un vertedero en laberinto es un aliviadero para presas de embalse que se
presenta en forma de “zigzag” vista en planta, toma esta geometría con el
objeto de aumentar la longitud de la presa o desarenador con respecto al
canal o la anchura del aliviadero, esto producirá la capacidad de flujo de
la estructura sobre un vertedero lineal para una cabeza separadora dado.
Figura No 2.2 Esquema de vertedero laberinto
Fuente: Balairón Pérez Luis. Avances en investigación en materia de seguridad
hidráulica de presas
2.3.1. Uso del vertedero en laberinto
Sus funciones son del control de los niveles del agua en las obras
hidráulicas cuando estos niveles superan los máximos de explotación
ordinaria, mejora la capacidad de descarga en las presas, también se las
usa como estructura de protección de canales y plantas hidroeléctricas,
como disipador de energía aplicada para controlar la calidad de agua por
aireación del flujo.

- 15 -
Fotografía No 2.2 Vertedero laberinto
Fuente: Balairón Pérez Luis. Avances en investigación en materia de seguridad
hidráulica de presas
2.3.2. Geometría de vertedero laberinto
Según Khatsuria, un vertedero de laberinto está conformado por varios
ciclos. Un ciclo es una secuencia de paredes y ápices dando una forma
similar a una onda.
Los tipos de vertedero más comunes son el rectangular, triangular y
trapezoidal. El vertedero rectangular está formado por paredes
rectangulares dispuestas de manera perpendicular entre ellas. El tipo
triangular dispone las paredes de manera angular semejando un triángulo.
El tipo trapezoidal dispone las paredes en una formación semejando un
trapecio.
VERTEDERO
LABERINTO
PRESA
ODESARENADOR

- 16 -
Figura No 2.3 Tipos de vertedero laberinto
Rectangular Triangular Trapezoidal Circular
Rectangular Triangular Trapezoidal Circular
Fuente: Khatsuria (2004b)
2.3.3. Perfiles empleados en vertedero laberinto
Los perfiles de cresta son el acabado geométrico que poseen las paredes
del vertedero en su parte superior, y son de relativa importancia,
considerando que el diseño de estos influye en el coeficiente de descarga
del vertedero. En una vista de perfil de la pared del vertedero, se pueden
observar las dimensiones que este componente posee en el área ubicada
en la cima, que se denomina cresta. Este acabado de la pared de
vertedero estará en contacto con el caudal circulante pues de un lado de
este, se encontrara el volumen del flujo a descargarse; y del otro lado, la
lámina de la descarga. La importancia que debe tener este acabado es
muy relevante pues influye sobre la descarga.
Se busca por medio de un perfil de cresta adecuado hacer más eficiente
la descarga, evitando que el diseño de la pared de vertedero se vuelva
más complicado.
a) Shap Crest, b) Flat Top, c) Half Round, d) Nappe Profile, e) Pyramic y f)
Quarter Round.

- 17 -
Figura No 2.4 Perfiles de la cresta del vertedero laberinto
Fuente: Erices Sepúlveda Fabián. Valdivia-Chile
2.4. CANAL DE RECOLECCIÓN
2.4.1. Clases de canales abiertos
El diseño del canal de recolección constituye un ejemplo del
dimensionamiento de un canal recolector, con flujo permanente y no
uniforme, con aporte lateral de caudal unitario constante.
Los canales son de dos tipos, el natural y el artificial; en los canales
naturales se encuentra los arroyuelos, quebradas, ríos pequeños y
grandes. Los canales artificiales son aquellos construidos por el hombre
en el que se trata de implantar las propiedades físicas-hidráulicas tal
como se presenta en el entorno natural y son verificados su
funcionamiento en modelos hidráulicos, las características de los canales
son: longitud del canal, pendientes (suave, moderada); revestimiento de
piedras, concreto, cemento, arena o material bituminoso, arrastre de
materiales sólidos.
2.4.2. Factores que afectan la filtración de los canales
Generalmente los canales que conducen el agua para las plantas
hidroeléctricas son revestidos, pero por razones económicas muchas
veces se las deja sin revestimiento, es por eso que en este tipo de
canales sin revestimiento ocurre el fenómeno físico de capilaridad, que
consiste en el movimiento del agua en el suelo por medio de fuerzas
externas y de gravedad; mientras más pequeños son los vacíos, mayores

- 18 -
son las fuerzas de tensión superficial y mayor distancia que puede
elevarse el agua en el suelo.
Cuadro No 2.1 Valores teóricos de elevación de agua.
Tipo Elevación (cm)
Grava fina 10
Arena gruesa 45
Arena fina 230
Limo 950
Arcilla 5000
Fuente: Krochin, Sviatoslav. Diseño Hidráulico
Naturalmente el tiempo en que esto ocurre es largo, tanto mayor cuanto
más fino es el suelo siendo del orden de algunos meses para limos y
arcillas. La filtración en los canales depende de los siguientes factores:
permeabilidad del suelo, calado del agua en el canal, temperatura, edad
del canal, caudal.
Cuadro No 2.2 Pérdida en % del caudal por Km para canales.
Caudal (
Pérdida en % del
caudal por km para canales
0,5 - 1 6 - 4
1,0 - 1,5 4,5 - 3
1,5 - 2 3 - 2,5
2 - 3 2,5 - 1,8
3 - 5 1,8 - 1,1
5 - 10 1,1 - 0,6
10 - 20 0,6 - 0,5
20 - 50 0,5 - 0,2
50 - 100 0,2 - 0,15
100 - 200 0,15 - 0,05
200 - 300 0,05 - 0,02
Fuente: Krochin, Sviatoslav. Diseño Hidráulico

- 19 -
2.4.3. Espesor de revestimiento
No existe una regla general para definir los espesores del revestimiento
de concreto, sin embargo, se puede usar un espesor de 5 a 7,7 cm para
canales pequeños y medianos y 10 a 15 cm para canales medianos y
grandes, siempre que estos se diseñen sin armadura.
En el caso particular que se quiera proyectar un revestimiento con
geomembranas, se tiene que tener en cuenta las siguientes
consideraciones:
 Para canales pequeños se debe usar geomembrana de PVC y
para canales grandes geomembrana de polietileno - HDP.
 Los espesores de la geomembrana, varían entre 1 a 1,5 mm
 Si el canal se ubica en zonas en donde puede ser vigilado
permanentemente, por lo tanto no puede ser afectada la
membrana.
 También se puede usar asociada la geomembrana con un
revestimiento de concreto; la geomembrana actúa como elemento
impermeabilizante (el concreto se deteriora con las bajas
temperaturas) y el concreto como elemento de protección, sobre
todo cuando se trata de obras ubicadas por encima de los 4000
m.s.n.m. o zonas desoladas.
2.4.4. Geometría del canal
Un canal con una sección transversal invariable y una pendiente de fondo
constante se conoce como canal prismático, caso contrario el canal es no
prismático, siendo el de forma trapezoidal el más común para canales en
tierra sin recubrimiento, debido a que proveen las pendientes necesarias
para la estabilidad. El rectángulo y el triángulo son casos especiales del
trapecio.

- 20 -
Figura No 2.5 Secciones de canales.
Los elementos geométricos de la sección transversal de un canal son:
Calado o tirante (y).- altura del agua desde el nivel del espejo de agua
hasta el fondo del cauce
Ancho de solera (b).- Es el ancho del canal
Área (A).- Sección transversal del elemento en cuestión
Perímetro mojado (PM).-perímetro de la sección del canal que está en
contacto con el agua, esto no incluye la superficie libre del espejo de
aguas ni borde libre.
Radio Hidráulico (Rh).-relación de área de la sección transversal y el
perímetro mojado
Espejo de aguas (T).-distancia desde el nivel de aguas de los extremos
de las orillas, es decir, el ancho de la superficie libre.
2.4.5. Sección transversal más eficiente
La forma de la sección hidráulica óptima más eficiente, es la que se
caracteriza por conducir el caudal máximo en una superficie mojada
mínima. Las secciones con mejores características hidráulicas óptimas es
la semicircular pero es relativamente difícil de construir y, generalmente
carece de estabilidad, por esta razón la más utilizada es la de sección
trapezoidal por su fácil construcción.

- 21 -
La forma de sección trasversal más eficiente se determina por las
condiciones del flujo uniforme, considerando un caudal Q, la velocidad es
máxima para una sección transversal A mínima.
Mediante la ecuación de Chezy, el radio hidráulico es máximo. Por lo que:
 El perímetro mojado es mínimo
 La sección semicircular (con el semicírculo en la superficie) es la
sección hidráulica óptima.
Figura No 2.6 Secciones transversales de Qmáx (diseño óptimo)
Elaborado: Alejandro López M.
Para algunas secciones transversales en canales, el mejor diseño se
muestra en la siguiente tabla que fue conformada en base al canal circular
Cuadro No 2.3 Características óptimas de canales
Sección
transversal
Ancho
óptimo (B)
Sección
transversal
óptima (A)
Perímetro
mojado
óptimo (PM)
Radio
hidráulico
óptimo (Rh)
Rectangular 2d 4d d
Trapezoidal
√
√ √ d
Semicircular 2d d
Fuente: Chanson Humbert. Hidráulica de Canales Abiertos

- 22 -
2.5. DESCRIPCIÓN GENERAL Y FUNCIONAMIENTO DE UNA
TRANSICIÓN
El agua que sale de una estructura de toma de ancho considerable,
reposa sobre un canal cuyo cambio de sección entre la obra de toma y el
canal es visible, así se realiza la conexión de estas dos estructuras
hidráulicas.
Para obtener una transición con un buen funcionamiento, consideramos
los siguientes aspectos que son regulados por Bureau of Reclamation:
a) El ángulo máximo óptimo entre el eje del canal y una línea que
conecte los lados de canal entre las secciones de entrada y salida es
de 12º30’, bajo este criterio partirá para determinar la longitud del
canal.
b) Se procura redondea las esquinas para disminuir las pérdidas.
Figura No 2.7 Transición del desarenador

- 23 -
2.6. TANQUE DE CARGA
2.6.1. Localización del tanque de carga
El tanque de carga está localizado entre el canal de recolección y la
tubería de presión por donde circula el agua hacia la casa de máquinas.
2.6.2. Funciones
 Establece la conexión entre el sistema de conducción y la tubería
de presión.
 Produce la sedimentación y eliminación de materiales sólidos que
vienen por el canal.
 Impedir la entrada de sólidos de arrastre y flotantes a la tubería de
presión.
 Desalojar el exceso de agua en las horas en las que la cantidad de
agua consumida por las tuberías es inferior al caudal de diseño.
 Crear un volumen de la reserva de agua que impida satisfacer las
necesidades de las turbinas durante los aumentos bruscos de
demanda.
 Mantener sobre la turbina una altura de agua suficiente para evitar
la entrada de aire a la misma.
2.6.3. Partes constitutivas
 Transición de entrada
 Tanque reservorio
 Rejilla de entrada a la tubería de presión.
 Compuerta de fondo y vertedero de excesos
 Transición de salida

- 24 -
Figura No 2.8 Partes del tanque de carga
2.6.4. Transición de entrada
La transición de entrada es la conexión entre el canal y el tanque, Figura
No 2.8 en la cual se debe garantizar y prever una distribución uniforme de
velocidades sin generar flujos secundarios.
2.6.5. Compuerta y vertedero de excesos
La compuerta se coloca al final del tanque de carga, ya que su función es
vaciar y expulsar los sedimentados del tanque hacia el canal de limpieza.
Otro tipo de evacuación se presenta por un vertedero de excesos donde
su cresta está diseñada a la misma altura del nivel máximo del tanque de
presión, generalmente este proceso de evacuado se dará mediante
rápidas que serán diseñadas a la salida del vertedero.

- 25 -
Fotografía No 2.3 Compuerta y vertedero de excesos
VERTEDERO DE
EXCESOS
COMPUERTA

- 26 -
CAPÍTULO III
3. DESCRIPCIÓN DE LOS FLUJOS Y CURVAS DE DESCARGAEN
UN CANAL, VERTEDERO DE SALIDA DEL DESARENADOR Y
VERTEDERO LABERINTO
3.1. FLUJO EN UN CANAL
El flujo de un canal, se produce principalmente por la acción de la fuerza
de la gravedad con la caracterización principal de tener una superficie
libre a la presión atmosférica.
La superficie libre se considera como la parte intermedia de los fluidos
superior, que corresponde al aire estacionario o en movimiento, y el
inferior, que usualmente es el agua en movimiento.
Fotografía No 3.1 Canal a superficie libre
Fuente: Empresa Eléctrica Quito. Reservorio Guangopolo
3.1.1. Tipos de flujo y clasificación en el canal recolector.
La siguiente clasificación se da de acuerdo con el cambio en la
profundidad de flujo con respecto al tiempo y espacio
CANAL A SUPERFICIE
LIBRE

- 27 -
Figura No 3.4 Clasificación del flujo en el canal
El flujo es permanente en un canal abierto, si la profundidad de flujo no
cambia o puede suponerse constante durante el intervalo de tiempo en
consideración; mientras que el flujo no permanente se da si la profundidad
cambia con el tiempo. El caso más común del flujo no permanente se
presenta en canales donde transita una onda de avenida, como en los
ríos, cunetas o bordillos en carreteras.
Para cualquier flujo, el caudal Q en una sección del canal se da por la
siguiente expresión:
(3.1)
Donde:
= velocidad media
= área de la sección transversal del canal
Flujo en canales abiertos
Flujo
permanente
Flujo
uniforme
Flujo
variado
Gradualmente
variado
Flujo
espacialmente
variado
Rápidamente
variado
Flujo no
permanente
Fujo uniforme
no
permanente
Fujo variado
no permanente
Gradualmente
variado no
permanente
Rápidamente
variado no
permanente

- 28 -
3.1.2. Flujo uniforme
El flujo es uniforme, cuando la velocidad del flujo en la profundidad es
constante, en el diseño de canales abiertos sería ideal que se tuvieran
flujos uniformes por que se tendría un canal con una altura constante y
que sus secciones sean geométricas. Para que el flujo permanezca
uniforme es necesario tener: pendiente, sección transversal y que la
rugosidad en la superficie no presente ningún cambio.
3.1.3. Flujo Gradualmente Variado
Es el flujo permanente cuya profundidad varía de forma gradual a lo largo
de la longitud del canal. Esta definición establece dos condiciones:
 El flujo es permanente; es decir, las características hidráulicas de
flujo permanecen constantes para el intervalo de tiempo bajo
consideración.
 Las líneas de corriente son paralelas; es decir, prevalece la
distribución hidrostática de presiones sobre la sección de canal.
3.1.3.1. Características de los perfiles de flujo
Se llama perfil del flujo o perfil hidráulico aquel perfil que adopta la
superficie libre del agua en cualquier condición de flujo en un canal.
La primera clasificación de los perfiles del flujo variado está basada por
la pendiente del canal y la zona en que se aloja el perfil. La forma que
adopta el perfil del flujo está directamente asociada con la pendiente de
la solera (So) y con los valores de la pendiente (Sf). Figura No 3.5, y el
número de Froude (Fr), por lo que respecta a la pendiente de la solera
es positiva si desciende en la dirección del flujo, negativa si asciende y
cero si es horizontal. Un flujo de tirante yn se puede establecer sólo
sobre una pendiente positiva, por lo que dicha pendiente y los perfiles
del flujo.

- 29 -
Figura No 3.5 Flujo Gradualmente Variado
Fuente: Rocha Arturo. Hidráulica de Tubería y Canales
Cuadro No 3.1 Tipo de perfil
Subcrítico Perfil tipo M
Crítico Perfil tipo C
Supercrítico Perfil tipo S
Horizontal Perfil tipo H
Negativa o adversa no existe Perfil tipo A
Para = 0, el tirante normal es
Para < 0, el flujo uniforme y un valor de son físicamente imposibles.

- 30 -
Cuadro No 3.2 Tipo del régimen de flujo
FROUDE RÉGIMEN DE FLUJO
Fr > 1 supercrítico
Fr = 1 crítico
Fr ˂ 1 subcrítico
Cualquiera que sea la pendiente, el gasto, la sección del canal, las líneas
que indican la altura del tirante normal y del crítico respecto de la plantilla,
dividen al espacio en que puede desarrollarse el perfil del flujo en tres
zonas:
Figura No 3.6 Zonas del perfil del flujo
Zona 1
El tirante del movimiento gradualmente
variado es mayor que el tirante crítico y
también es mayor que el tirante normal
Zona 2
variado está comprendido entre el crítico
y el normal
Zona 3
variado es menor que el tirante crítico y
también es menor que el tirante normal

- 31 -
Cuadro No 3.3 Relación de y, yn, yc
PENDIENTE
DEL CANAL
Designación
Relación de
Tipo general
de curva
Tipo de flujo
Zona 1
Zona
2
Zona
3
Zona
1
Zona
2
Zona
3
HORIZONTAL
Ninguno Ninguno Ninguno
H2 Caída Subcrítico
H3 Remanso Supercrítico
Suave
M1 Remanso Subcrítico
M2 Caída Subcrítico
M3 Remanso Supercrítico
Crítica
C1 Remanso Subcrítico
C2
Paralelo al
fondo del
canal
Uniforme -
crítico
C3 Remanso Supercrítico
Empinada
S1 Remanso Subcrítico
S2 Caída Supercrítico
S3 Remanso Supercrítico
Adversa
Ninguno Ninguno Ninguno
A2 Caída Subcrítico
A3 Remanso Supercrítico
Fuente: Chow Ven Te. Hidráulica de Canales Abiertos

- 32 -
Perfil tipo M
Las estructuras de control, vertederos y compuertas entre otros sobre
elevan la superficie del agua en un canal o río produciéndose un perfil tipo
M1, que puede extenderse varios kilómetros aguas arriba.
El perfil M2 ocurre cuando el tirante disminuye, en cambios de pendiente
subcrítica a supercrítica, de un estrechamiento de sección o en la
proximidad de una caída.
El perfil M3 se localiza aguas abajo de un cambio de pendiente de
supercrítica a subcrítica, o después de la descarga de una compuerta.
Los perfiles M2 y M3 son más cortos en comparación a M1
Perfil tipo S
El perfil S1 se produce antes de la estructura de control como una
compuerta, situada en un canal de gran pendiente.
El perfil S2 es generalmente muy corto y es común en la entrada de un
canal de gran pendiente, o después de un cambio de pendiente subcrítica
a supercrítica
El perfil S3 se produce aguas abajo de una compuerta en un canal de
gran pendiente, o aguas abajo de su intersección con otro de menor
pendiente.
Perfil tipo C
Los tirantes normal y crítico coinciden, existen dos perfiles que son
aproximadamente horizontales.
Perfil tipo H
El perfile H2 se produce después de que un canal de pendiente subcrítica
cambia a horizontal.

- 33 -
El perfil H3 ocurre después de una compuerta o de un cambio de
pendiente supercrítica a horizontal.
Perfil tipo A
La pendiente negativa es poco común ya que el tirante normal no existe y
los perfiles que se forman tienen las mismas tendencias que los H2 y H3,
los perfiles A2 y A3 son extremadamente cortos.
Figura No 3.7 Perfiles en función de la pendiente del canal
Fuente: Pérez Benjamín Guillermo. Manual de prácticas Hidráulicas de Canales II

- 34 -
3.1.3.2. Flujo espacialmente variado
Las condiciones para presentar un flujo espacialmente variado se da
cuando el caudal del canal aumenta o disminuye en la dirección del
movimiento por la entrada o salida de un gasto que se aporta o se desvía
del mismo.
En el flujo espacialmente variado de gasto creciente, se produce fuertes
corrientes transversales, un mezclado turbulento y un flujo de tipo espiral
al aumentar el agua en lo que originalmente fluye en el canal, por
consiguiente tales efectos se transmiten aguas abajo induciendo una
pérdida de energía mayor que la de fricción, que también es conocida
como pérdida por impacto, cuantificable por el principio de momentum, en
este principio no se considera los efectos de la inclinación transversal de
la superficie libre del canal, resultante de los fenómenos antes
mencionados cuando el agua entra por un solo lado, siendo más notable
cuando el canal es angosto.
El modelo de flujo espacialmente variado de gasto creciente tiene utilidad
especialmente en el diseño de vertederos laterales construidos en los
bordos de un canal para eliminar las excedencias del gasto que conduce,
en la desviación de caudal mediante rejas en el fondo, además que es útil
en los siguientes diseños hidráulicos:
 Cunetas
 Bordillos
 Canales de drenaje en carreteras, aeropuertos y tierras agrícolas.
 Sistemas de aguas residuales
 Plantas de tratamiento
 Sistemas de drenaje de áreas pavimentadas y cubiertas de techo.
El flujo espacialmente variado se lo trata como si fuera unidimensional, es
decir, las características de tirante del movimiento corresponden a los
valores sobre el eje del canal aun cuando haya asimetría del flujo que
entra o sale, las hipótesis que se presentan en el flujo son:

- 35 -
 La pendiente del canal es uniforme y el caudal que entra o sale
induce sólo pequeñas curvaturas en el perfil del flujo y líneas de
corriente casi paralelas, existe distribución hidrostática de la
presión en cada sección.
 La distribución de la velocidad se mantiene igual en cada sección.
 La pérdida de fricción en un tramo se incluye mediante el cálculo
de la pendiente de fricción resultante en cada sección.
 El efecto de arrastre de aire no se incluye en el tratamiento.
 El momentum del caudal que entra se forma sólo del componente
de cantidad de movimiento, la simetría que pueda tener dicho
caudal en la dirección transversal no influye en las características
del flujo, cuando el caudal sale lo hace a sitios más bajos sin
restarle energía específica al flujo principal.
3.1.4. Flujo Rápidamente Variado
La principal característica del Flujo Rápidamente Variado (FRV) es que la
curvatura de las líneas de corriente es pronunciada, con lo cual la
suposición de una distribución hidrostática de presiones deja de ser
válida. En ocasiones el cambio en la curvatura puede ser tan abrupto
como para romper virtualmente el perfil de flujo, resultando en un estado
de alta turbulencia y perfil de flujo discontinuo. El ejemplo más conocido
de una situación como la descripta es el resalto hidráulico.
Las características de FRV son:
 La curvatura de las líneas de flujo impide la suposición de una
distribución hidrostática de presiones.
 La variación rápida del flujo ocurre en tramos cortos, de forma tal
que las pérdidas por fricción contra las fronteras son pequeñas y
pueden ser despreciadas en un análisis primario.
 El FRV en una estructura de transición tendrá sus características
físicas determinadas por la geometría de la frontera y el estado del
flujo.

- 36 -
 Ante bruscos cambios en la geometría del canal se pueden formar
vórtices, remolinos, corrientes secundarias y zonas de separación
que complican el patrón del flujo. Esto dificulta definir las fronteras
del flujo (que ya no serán las fronteras sólidas del canal), así como
determinar valores promedios en la sección para las variables del
flujo.
3.1.5. Flujo no permanente gradualmente variado
La curvatura del perfil de onda es suave y el cambio en la profundidad es
gradual. La componente vertical de la aceleración de las partículas de
agua es insignificante en comparación con la aceleración total, en tanto
que el efecto de la fricción de canal a menudo es considerable y se debe
considerar para un análisis exacto. Los ejemplos más comunes son las
ondas de creciente y las debidas a la operación lenta de estructuras de
control, como las compuertas deslizantes en exclusas.
3.1.6. Flujo no permanente rápidamente variado
La curvatura del perfil de onda es muy grande, de modo que la superficie
del perfil puede ser virtualmente discontinua. Ejemplos típicos son las
oleadas de diferentes clases, causadas por la operación rápida de
estructuras de control.
3.2. FLUJO SOBRE VERTEDEROS3
3.2.1. Capacidad de descarga en vertederos de rebose
Par el cálculo del caudal por encima del vertedero lo podemos obtener
mediante la siguiente fórmula4
:
(3.2)
3
Chow Ven Te. Hidráulica de Canlaes Abiertos
4
J.V Boussinesq. Aproximate theory of the flow over a knife - edge weir without side contraction.
Paris

- 37 -
Donde:
carga total sobre la cresta, incluye la carga de velocidad de
aproximación (
caudal de diseño (
coeficiente de descarga, incluye V2
/2g
longitud efectiva de la cresta (
Figura No 3.1 Alturas para la forma estándar de vertedero WES (U.S
Army Engineers Waterways Experiment Station)
Donde:
= altura total incluyendo
= altura de diseño excluyendo
= altura de velocidad
Si es mayor que entonces la velocidad de aproximación es
insignificante.
El coeficiente de descarga ( ) varía de acuerdo a los siguientes factores:
 La profundidad de llegada.
 La relación de la forma real de la cresta a la de la lámina ideal.
 El talud del paramento aguas arriba.
 Tirante o profundidad de la corriente de aguas abajo.

- 38 -
En vertedero bajos con h / Hd < 1.33, la velocidad de aproximación tendrá
un efecto apreciable sobre el caudal o el coeficiente de descarga y, en
consecuencia sobre el perfil de la napa. La Figura No 3.2
(ADIMENSIONAL) muestra el efecto de la velocidad de aproximación
sobre la relación He / Hd y C / Cd para vertederos diseñados con la forma
WES.
Figura No 3.2 Relación altura-caudal para las formas estándar de
vertederos WES

- 39 -
3.2.2. Flujo a la salida del vertedero
Debido a la pérdida de energía en el flujo sobre el vertedero, la velocidad
real es siempre menor que el valor teórico, la magnitud de la velocidad es
función de la altura sobre la cresta del vertedero.
Mediante experimentos de laboratorio se demuestra que la desviación de
la velocidad real con respecto a su valor teórico incrementa cuando la
altura es menor y cuando la caída mayor. La velocidad del flujo teórica a
la salida de un vertedero de rebose se calcula mediante la ecuación
propuesta por la U.S Bureau of Reclamation:
√ (3.3)
Donde:
= velocidad de flujo teórica a la salida del vertedero
= distancia vertical desde el nivel del embalse aguas arriba hasta el
nivel de piso en la salida
= altura de velocidad de aproximación aguas arriba
= profundidad de flujo de salida
Para la prevención del impacto de agua que cae de la cresta, creamos
una transición para que no socave la cimentación, la cual esta superficie
se diseña en forma de cubeta curva siendo tangente a la cimentación o
muy cercana, de esta manera por ser de forma curva podemos calcular su
radio R mediante la ecuación empírica:
⁄
(3.4)
Donde:
= velocidad del flujo a la salida
=altura excluida la altura de velocidad de aproximación sobre la cresta
del vertedero

- 40 -
Figura No 3.3 Radio inferior del vertedero
La presión de diseño de la cubeta y la máxima presión en los muros
laterales deben ser iguales a la presión centrífuga y a la presión
hidrostática correspondientes a la profundidad aguas abajo.
3.3. FLUJO EN EL VERTEDERO LABERINTO
En vertederos laberinto el flujo es tridimensional y no bidimensional, por lo
que las líneas de corriente tienen trayectorias alternativas y variantes en
tres dimensiones.
Figura No 3.4 Perfiles de vertido sobre el vertedero laberinto
Fuente: Erices Sepúlveda Fabián. Valdivia – Chile

- 41 -
Crookston explica que uno de los aspectos destacables es la aireación del
flujo de descarga en la estructura de alivio, dando una mejora al
funcionamiento de la misma. En algunos casos los diseños de vertederos
de laberinto se enfocan en el flujo, para producir aireación en el momento
de alivio.
Según Khatsuria, un vertedero de laberinto puede presentar segmentos
de descarga con diferente carga hidráulica y volúmenes de caudal
diferentes por la aproximación del flujo.
En los vértices de las paredes del aliviadero, se pueden presentar
situaciones de descarga en varias direcciones. Figura No 3.3 En la
situación de descarga del flujo puede producirse que algunos segmentos
tengan que descargar mayores cantidades de caudal que otros. El flujo
que se descarga por el ápice del vertedero tiende a producirse como si se
tratase de un vertedero de cresta viva. Pero en el caso de la pared en
posición angular con respecto a la dirección del flujo, como ocurre en el
tipo trapezoidal, la longitud de descarga se incrementa y el fluido tiene
mayor espacio para descargar. Esto trae como consecuencia que los
valores de la carga de agua se incrementen en los trayectos
perpendiculares al flujo y disminuya en los trayectos angulares.
La descarga descrita de los aliviaderos de laberinto muestra una
evolución en el vertedero trapezoidal a partir de elementos geométricos
del vertedero triangular y rectangular. Esta implementación del tipo
trapezoidal ocurre para minimizar los inconvenientes producidos por la
interferencia de la descarga.
3.3.1. Flujo a la salida del vertedero
El flujo de salida del laberinto en el conducto aguas abajo debe ser
supercrítico. Si esto no es posible el laberinto debe estar diseñado de tal
manera que la cabeza proporción máxima de cresta permanece en la
región aireada.

- 42 -
CAPÍTULO IV
4. BASES PARA EL DIMENSIONAMIENTO DEL VERTEDERO DE
CANAL DE RECOLECCIÓN Y TANQUE DE CARGA.
En el siguiente capítulo se expondrán los parámetros de diseño
correspondientes al vertedero de salida del desarenador, vertedero
laberinto, canal de recolección y tanque de carga.
4.1. PARÁMETROS GENERALES PARA EL DISEÑO DE UN
DESARENADOR
Para la selección de los parámetros de diseño de un desarenador,
básicamente debemos considerar los siguientes aspectos:
 Caudal de diseño, el cual se usará el caudal máximo diario para
diseñar la planta de tratamiento
 Calidad fisicoquímico del agua, que dependiendo del agua cruda
se seleccionará el pre tratamiento
 Clima y lluvias de la zona
4.2. PARÁMETROS GENERALES PARA EL DISEÑO DEL
VERTEDERO DE SALIDA DEL DESARENADOR Y
COEFICIENTES DE DESCARGA
Las mediciones y datos requeridos para el diseño de vertederos
dependen del nivel de diseño a ser considerado y las condiciones
específicas que se encuentran en el sitio. Generalmente estos datos y
mediciones son: datos topográficos, datos climatológicos, datos
hidrológicos, datos geológicos y sismológicos, alcance y requerimientos
del proyecto, capacidad de control de avenidas, datos hidráulicos, datos
estructurales, datos de calidad del agua, requerimientos especiales,
condiciones aguas abajo
Los datos hidrológicos requeridos son:

- 43 -
 Mediciones de escorrentía, descargas diarias, volúmenes
mensuales, y picos momentáneos.
 Estudio de crecidas, incluyendo la máxima crecida probable y
frecuencias específicas de crecida usadas para establecer el nivel
de la cresta de un vertedero auxiliar en la evaluación de
funcionamiento del vertedero, en el estudio de esquemas de
desvío y para estudios de riesgos.
 Datos del nivel de agua subterránea en las proximidades del
reservorio y del sitio de presa.
 Mapas de las cuencas de inundación.
 Curvas del tirante de agua a través de los rangos esperados de
descarga.
 Estudios de sedimentación, erosión del canal, los efectos de
obstrucción del canal aguas abajo, y los efectos de futuras
construcciones aguas abajo.
 Estudios de remansos, cuando las características localizadas
aguas arriba del reservorio pueden ser afectadas por niveles de
agua más altos que los que ocurren naturalmente. La deposición
de sedimentos del reservorio debe de ser considerada en estos
estudios.
Los datos de apoyo requeridos para el diseño hidráulico son:
 Flujo que entra al reservorio, máxima crecida probable y a veces
frecuencias de crecidas moderadas de 100 y 200 años de período
de retorno; crecidas de diseño diferentes de la máxima crecida
probable, de la escorrentía normal, de los canales de alimentación,
y otros flujos entrantes controlados.
 Asignaciones de almacenaje del reservorio.
 Área y datos de capacidad del reservorio.
 Datos de sedimentación en el reservorio incluyendo volumen y
distribución.
 Datos de basuras y otros en el reservorio.
 Factores climáticos.

- 44 -
 Requerimientos y limitaciones del nivel de agua del reservorio.
 Análisis de flujo en canales abiertos.
 perfiles de flujo, curvas de remanso, curvas del tirante de flujo.
 Requerimientos del río aguas abajo.
 Proyectar los requisitos y limitaciones que implican los vertederos.
 Estudio de operación del reservorio (incluyendo curvas de
regulación y otros datos relacionados)
4.2.1. Clasificación de vertederos según su forma geométrica
Vertederos rectangulares
a) Vertederos de pared delgada sin contracciones
La ecuación general para calcular el caudal en un vertedero rectangular
está dado por:
√ (4.1)
Donde:
= caudal
= coeficiente de descarga para valores entre 0,55 y 0,65
= longitud del vertedero (m).
= paramento del vertedero (m).
= carga hidráulica sobre la cresta (m).
= aceleración de la gravedad
Figura No 4.1 Vertedero de pared delgada sin contracciones.
Elaboración Alejandro López M.

- 45 -
Coeficiente de descarga, propuesto por “La Sociedad de Ingenieros y
Arquitectos suizos”5
( ) [ ( ) ] (4.2)
= para vertederos sin contracción lateral, longitudes en mm.
Válida para 25 mm < < 800 mm y y
b) Vertederos de pared delgada con contracciones
En vertederos de pared delgada con contracciones, la longitud efectiva del
vertedero es L’
√ (4.3)
El efecto de la contracción se tiene en cuenta restando a la longitud total
de la cresta del vertedero L, el número de contracciones multiplicada por
0,1H.
(4.4)
Donde:
= longitud contraída de la lámina de agua en el vertedero (m).
= longitud real del vertedero (m).
= número de contracciones laterales.
Reemplazando la ecuación (2.14) en (2.13) se obtiene:
√ (4.5)
5
J.Koley. HydraulikSpinger

- 46 -
Figura No 4.2 Vertedero rectangular con o sin contracciones laterales
Fuente: Universidad del Cauca. Departamento de Hidráulica
Coeficiente en vertederos rectangulares con dos contracción laterales,
ecuación propuesta por La Sociedad de Ingenieros y Arquitectos Suizos6
[ ( )
( )
] [ ( ) ( ) ] (4.6)
= para vertederos con contracción lateral, longitudes en mm
Vertederos triangulares
Este tipo de vertederos se recomienda par el uso de caudales no mayores
a y cargas superiores de 6 a 60 cm
√ ⁄
(4.7)
6
J.Koley. HydraulikSpinger

- 47 -
Para ⁄
Figura No 4.3 Vertedero triangular
Fuente: Sotelo
Cuadro No 4.1 Valores característicos de Cd
Ángulo β Cd
15º 0,52-0,75
30º 0,59-0,72
45º 0,59-0,69
60º 0,50-0,54
90º 0,50-0,60
Vertedero trapezoidal
Los vertederos trapeciales son muy poco usados para medir caudales. Se
diseña con el fin de disminuir el efecto de las contracciones que se
presentan en un vertedero rectangular contraído. Para el cálculo de la
descarga teórica se suele considerar que la sección está conformada por
tres partes: una central, que es rectangular y dos laterales que son
triangulares. Se obtiene así que la descarga en un vertedero trapecial
isósceles es:
√ ⁄
√ ⁄
(4.8)

- 48 -
Figura No 4.4 Vertedero trapezoidal
Fuente: Sotelo
Donde:
= coeficiente de descarga para el vertedero rectangular con
contracciones.
= coeficiente de descarga para el vertedero triangular.
= longitud de la cresta.
= ángulo de la inclinación de los lados respecto a al vertical.
De la ecuación (2.18) se puede transformar así:
√ * + ⁄
(4.9)
Sotelo afirma que el término entre paréntesis de la ecuación (2.19) es de
0.63 lo que conduce a la siguiente ecuación, en sistema M.K.S7
:
⁄
(4.10)
Esta ecuación es válida si 0,08m ≤ H ≤ 0,60m; a ≥ 2H; L ≥ 3H y P ≥3H.
7
El sistema MKS de unidades expresa las medidas, utilizando como unidades
fundamentales el metro, Kilogramo y segundo. El sistema MKS de unidades sentó las
bases para el Sistema Internacional de Unidades

- 49 -
4.2.2. Clasificación de vertederos según el ancho de pared
Vertederos de pared delgada
Este tipo de vertedero es el más usado, especialmente como aforador, por
ser una estructura de fácil construcción e instalación. Debidamente
calibrados o patronados se obtienen ecuaciones o curvas en las cuales el
caudal es función de la carga hidráulica H.
Figura No 4.5 Vertedero rectangular de pared delgada con contracciones
Fórmula de Francis:
(4.11)
Vertederos de pared gruesa
Los vertederos de pared ancha tienen menor capacidad de descarga para
igual carga de agua que los vertederos de pared delgada y su uso más
frecuente es como estructuras de control de nivel.
La mínima distancia a la cual se deben instalar los medidores de la carga
hidráulica (H) para que no esté afectada por la declinación de la lámina de
agua es 3.5H

- 50 -
Figura No 4.6 Vertedero rectangular de pared delgada y pared gruesa
Consideraciones:
e/H< 0,67 el chorro se separa de la cresta y el funcionamiento es idéntico
al del vertedero de pared delgada.
e/h> 0,67 funciona distinto ya que la lámina vertiente se adhiere a la
cresta del vertedero.
e/h> 10 se considera que el funcionamiento es en canal
La ecuación propuesta por Azevedo y Acosta proponen:
(4.12)
Cuando el vertedero es rectangular y la relación e/H > 0.67, Sotelo (1982)
propone el tratamiento como un vertedero Bazin de pared delgada,
ecuación:
(4.13)
Donde:
= coeficiente de corrección para vertederos de pared ancha
= coeficiente de corrección para vertederos ahogados.
(4.14)

- 51 -
(4.15)
= coeficiente de reducción, se utilizará cuando el funcionamiento
hidráulico del vertedero es ahogado y dependerá de
Cuadro No 4.2 para vertederos de pared gruesa con descarga ahogada
Fuente: Sotelo Ávila Gilberto. Hidráulica General
A continuación se muestra la gráfica de los valores del Cuadro No 4.2
Gráfico No 4.1 Coeficiente para vertedero de pared gruesa con descarga
ahogada
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
0 0,5 1 1,5
ε2
(H-h)/H
Coeficiente para vertedero de pared gruesa
con descarga ahogada
(H-h)/H . (H-h)/H .
1,4 1,000 0,30 0,,855
1,3 1,000 0,25 0,833
1,2 0,993 0,20 0,807
1,0 0,987 0,15 0,770
0,9 0,980 0,10 0,720
0,8 0,960 0,08 0,680
0,7 0,950 0,06 0,640
0,6 0,930 0,04 0,550
0,5 0,910 0,02 0,400
0,4 0,885 0,01 0,260

- 52 -
4.2.3. Vertedero de cresta redondeada
Cuando la cresta del vertedero se redondea, el coeficiente de gasto
aumenta considerablemente respecto del calculado para uno de pared
gruesa, esto se da para una baja en la construcción del chorro sobre el
vertedero, pues actúa sobre las partículas una aceleración centrífuga
debido a la curvatura de las líneas de corriente.
Figura No 4.7 Vertedor de cresta circular y talud inclinado, aguas abajo
Según Rehbock el coeficiente es:
√ ( ) (4.16)
Que sirve para:
(4.17)
( ) (4.18)

- 53 -
Figura No 4.8 Vertedero de cresta circular y talud vertical, aguas abajo
Según Kramer el coeficiente es:
[ ( ) ] (4.19)
La cual sirve para:
y √
Este tipo de vertederos es útil para compuertas cilíndricas con vertido
superior.
Figura No 4.9 Vertedor de cresta elíptica y talud inclinado, aguas abajo

- 54 -
Para este tipo de vertederos Kramer propone incluir el radio en la
ecuación anterior mediante la siguiente expresión:
( ) (4.20)
Donde:
son longitudes de los ejes de la elipse.
Se ha verificado estos valores para:
4.2.4. Forma de la cresta de vertedero de rebose tipo WES
Con base en los datos del United States Bureau of Reclamation, el cuerpo
de ingenieros de los Estados Unidos (U.S. Army Engineers Waterways
Experiment Station) ha desarrollado varias formas estándar,
representadas por la anterior ecuación:
(4.21)
Donde:
= coordenadas del perfil de la cresta (m)
= altura de diseño excluida la carga de velocidad de aproximación del
flujo (m)
=constantes que dependen de la pendiente del paramento de aguas
arriba del azud
Las secciones están constituidas además por una curva circular
compuesta hacia aguas arriba, con los radios expresados en función de la
altura de diseño.

- 55 -
Cuadro No 4.3 Radios y diámetros para el diseño del vertedero WES
PARAMENTO R1 R2 D1 D2
vertical 0,5*Hd 0,2*Hd 0,175*Hd 0,282*Hd
relación 3:1 0,68*Hd 0,21*Hd 0,139*Hd 0,237*Hd
relación 3:2 0,48*Hd 0,22*Hd 0,115*Hd 0,214*Hd
relación 3:3 0,45*Hd - 0,119*Hd -
Figura No 4.10 Formas estándar del vertedero WES (Waterways
Experiment Station)
Fuente: Chow Ven Te. Hidráulica de Canales Abietos
Cuadro No 4.4 Constantes k y n para diferentes pendientes del paramento
Pendiente paramento (V:H) k n
Vertical 2,00 1,85
3:1 1,936 1,836
3:2 1,939 1,810
3:3 1,873 1,776

- 56 -
4.2.5. Coeficientes de descarga para vertederos tipo WES
Gehy (1982) obtuvo las ecuaciones para el coeficiente de descarga Co en
función de la relación P/Ho, donde P es la altura del paramento de aguas
arriba, y Ho la carga de diseño sobre el vertedero. Figura No 4.11
( ) ( )
( ) ( )
Estos coeficientes son válidos si la carga sobre el vertedero (He)
corresponde a la carga de diseño (Ho) del cimacio.
La corrección del factor Cd se puede determinar mediante la ecuación:
( ) donde se puede obtener el valor He/Ho de la
Figura No 4.12
Se tienen además, otros factores de corrección:
C2 = Por efectos del talud del paramento aguas arriba. Figura No 4.13
C3=Por efectos de elevación del piso aguas abajo del dique. Figura No
4.14
C4 = Por sumergencia. Figura No 4.15

- 57 -
Figura No 4.11 Coeficientes de descarga para las crestas de cimacio en pared vertical
Fuente: García Vélez José Luis. Diseño Hidráulico de Estructuras

- 58 -
Figura No 4.12 Coeficiente de descarga para cargas diferentes de las del proyecto

- 59 -
Figura No 4.13 Coeficiente de descarga para una cresta de vertedero con paramento de aguas arriba inclinado

- 60 -
Figura No 4.14 Relación de coeficientes de descarga debida al efecto de lavadero

- 61 -
Figura No 4.15 Relación de coeficientes de descarga debida al efecto del agua de la descarga

- 62 -
4.2.6. Datos generales para el diseño a la salida del vertedero
Altura de salida al pie de la presa:
(4.22)
Número de Froude
√
(4.23)
Figura No 4.16 Factores que influyen en el vertedero
En base a la Figura No 4.17 encontramos la relación de h/y1 para el
número de Froude dado

- 63 -
Figura No 4.17 Relaciones analíticas entre F y h/y1para un vertedero de cresta ancha (Foster y Skrir)
Fuente: Chow. Ven Te. Hidráulica de canales abiertos

- 64 -
Figura No 4.18 Longitud en términos de altura secuente y2 en un resalto hidráulico en canal horizontal
Fuente: Chow. Ven Te. Hidráulica de canales abiertos

- 65 -
Se calcula luego el valor de la altura de y2 mediante la siguiente ecuación:
* + * + (4.24)
Por medio de tanteos se obtiene el valor y2 y se estima el valor y3 para
asegurar las condiciones de producción y retención del resalto hidráulico y
el régimen subcrítico aguas debajo de la estructura
* + (4.25)
Se calcula la longitud del pozo de amortiguación mediante la siguiente
ecuación:
(4.26)
A demás de esta alternativa se puede considerar la profundidad y2 en el
caso de que el tramo corresponda a un canal horizontal en donde se
produce el resalto hidráulico, a partir de los siguientes valores: y1, F, V1
Por medio de la Ecuación No 4.27 se obtiene el valor de y2
[√ ] (4.27)
Se estima la relación L / y2 con base a la figura No 4.18 Recomendada
por la Bureau
4.3. PARÁMETROS GENERALES DE DISEÑO DEL VERTEDERO
LABERINTO
El diseño de vertederos de laberinto, según Tullis, depende de cuatro
factores fundamentales que son:

- 66 -
Según Lux, el rango de la relación Ho/P se encuentra entre 0,45 y 0,50
para un buen diseño. En los estudios de Tullis tiene un máximo de 0,90.
4.3.1. Coeficiente de descarga para vertedero de laberinto
El coeficiente de descarga se determina mediante la siguiente ecuación
√ (4.28)
Donde:
= caudal
= gravedad
= coeficiente de descarga, que se determina experimentalmente por
medio de la Figura No 4.19
= longitud total del vertedero
= sobreelevación de la lámina respecto del umbral del vertedero
Con la siguiente tabla elaborada por Tullis, podemos determinar los
diferentes ángulos para una cresta de quarter-round:
Figura No 4.19 Coeficientes de descarga del vertedero laberinto para
diferentes ángulos
Fuente: Tullis (1995)

- 67 -
La data se aproximó a la ecuación:
( ) ( ) ( ) ( ) (4.29)
Los coeficientes de Tullis para cada ángulo del vertedero de laberinto se
han determinado basándose en pruebas realizadas en el Utah Water
Research Laboratory (UWRL), descritos en la siguiente tabla:
Cuadro No 4.5 Coeficientes de a curva de diseño para vertedero laberinto
COEFICIENTES DE LA CURVA DE DISEÑO
α A1 A2 A3 A4 A5
6 ° 0,49 -0,24 -1,20 2,17 -1,03
8 ° 0,49 1,08 -5,27 6,79 -2,83
12 ° 0,49 1,06 -4,43 5,18 -1,97
15 ° 0,49 1,00 -3,57 3,82 -1,38
18 ° 0,49 1,32 -4,13 4,24 -1,50
25 ° 0,49 1,51 -3,83 3,40 -1,05
35 ° 0,49 1,69 -4,05 3,62 -1,10
90 ° 0,49 1,46 -2,56 1,44 0,00
Fuente: Tullis, Amaniam y Waldrom (1995)
4.4. PARÁMETROS GENERALES PARA EL CANAL DE
RECOLECCIÓN
Los estudios básicos esenciales para el diseño de canales son:
topográficos, geológicos, geotécnicos, hidrológicos, hidráulicos,
ambientales, agrológicos.
Para trazar el canal básicamente necesitamos:
 Planimetría de la zona
 Imágenes satelitales, con el fin de localizar poblados, áreas de
cultivo, vías de comunicación, etc.
 Topografía de la zona, estudios geológicos, suelos, sanidad
 Planos catastrales

- 68 -
En el caso de no obtener información topográfica se levantará el relieve
del canal, esto se dará por medio del reconocimiento del terreno
determinando puntos iniciales y finales siendo referencias del canal.
Se hará el trazado preliminar que se procede a levantar la zona con una
brigada topográfica, clavando en el terreno las estacas de la poligonal
preliminar y luego el levantamiento con estación total, posteriormente a
este levantamiento se nivelará la poligonal y se hará el levantamiento de
secciones transversales, estas secciones se harán de acuerdo a criterio,
si es un terreno con una alta distorsión de relieve, la sección se hace a
cada 5 m, si el terreno no muestra muchas variaciones y es uniforme la
sección es máximo a cada 20 m.
Trazo definitivo, con los datos del trazado preliminar se procede al trazo
definitivo, teniendo en cuenta la escala del plano, la cual depende
básicamente de la topografía de la zona y de la precisión que se desea:
 Terrenos con pendiente transversal mayor a 25%, se recomienda
escala de 1:500.
 Terrenos con pendiente transversal menor a 25%, se recomienda
escalas de 1:1000 a 1:2000.
4.4.1. Velocidades admisibles
Para evitar efectos de sedimentación o de erosión, se debe diseñar un
canal estable el que por concepto señala el que no presenta erosión ni
azolvamiento, esto quiere decir que el canal está en equilibrio y los
sedimentos que arrastra permanecen constantes en tramos de igual
caudal, para conseguir este proporcionamiento de partículas en el canal,
la velocidad tiene que ser suficientemente grande para arrastrar los
sedimentos que lleva el agua sin erosionar las paredes ni el fondo del
canal. Para prevenir la erosión y el azolve se considera que la velocidad
media debe estar a cierta profundidad, esta velocidad se la denomina
como velocidad crítica, y exponen algunos autores:

- 69 -
Fórmula desarrollada por Kennedy:
(4.30)
Donde:
= velocidad crítica (pies/s).
= profundidad del agua (pies).
= constante igual a 0,64
= coeficiente que depende de los sedimentos y varía desde 0,82 para
limo fino, hasta 1,09para limo arenoso grueso.
Fórmula desarrollada por I.I.Levy:
√ (4.31)
Donde:
= diámetro medio de las partículas del cauce (m).
= radio hidráulico (m).
= aceleración de la gravedad
Lacey propone relaciones para canales estables:
(4.32)
(4.33)
Donde:
= caudal
= perímetro mojado (m).
= gradiente estable.
= factor de azolve, se la puede encontrar de la siguiente manera:
(4.34)
ó
(4.35)

- 70 -
En casos donde el agua penetra en el canal cargado de sedimentos, es
necesario tomar en cuenta las medidas para que estos no se depositen en
el fondo sino que sean arrastrados por la corriente.
La fórmula I.I.Levy señala que:
√ √
√
(4.36)
Donde:
= velocidad de caída en agua de la partícula de diámetro (m/s).
= porcentaje en peso de sedimentos mayores a 25mm.
= radio hidráulico (m).
= coeficiente de rugosidad de Manning.
4.4.2. Diseño de secciones hidráulicas
Se debe tener en cuenta ciertos factores, tales como: tipo de material del
cuerpo del canal, coeficiente de rugosidad, velocidad máxima y mínima
permitida, pendiente del canal, taludes, etc.
La sección hidráulica de un canal debe satisfacer la fórmula de Manning:
(4.37)
Donde:
Q = caudal ( )
n = rugosidad
A = área de la sección del flujo de agua (m2
)
R = radio hidráulico, en función del tirante hidráulico (m)
S= pendiente del canal (m/m)
De donde:
(4.38)

- 71 -
El miembro de la izquierda describe la geometría de la sección
transversal. El valor generalmente crece al aumentar el tirante. Para
un valor del gasto y una rugosidad y pendiente dadas hay un valor de
que corresponde al tirante normal.
Caso A: Se conoce el ancho b en la base
Los datos son: b, Q, S, z (talud), n
La incógnita es el tirante y
Este caso se presenta con alguna frecuencia dado que por razones
constructivas se puede requerir para el canal un ancho determinado.
Para la solución de este caso Ven Te Chow ha preparado un gráfico al
que se entra con los valores de y se obtiene el valor de , para cada
talud. Figura No 4.20
Caso B: se conoce el tirante y
Los datos son: y, Q, S, z, n
La incógnita es el ancho en la base
Esta condición se presenta cuando por razones de servicio se requiere un
tirante determinado. Para la solución de este caso se puede recurrir al
método de tanteos.

- 72 -
Figura No 4.20 Curva para determinar el tirante normal
AR2/3
/b8/3
ó AR2/3
/D8/3

- 73 -
4.4.2.1. Criterios de diseño
Se tienen diferentes factores que se consideran en el diseño de canales,
los cuales tendrán en cuenta: el caudal a conducir, factores geométricos e
hidráulicos de la sección, materiales de revestimiento, la topografía
existente, la geología y geotecnia de la zona, los materiales disponibles
en la zona o en el mercado más cercano, costos de materiales,
disponibilidad de mano de obra calificada, tecnología actual, optimización
económica, actividad socioeconómica de los beneficiarios, climatología,
altitud, etc. Si se tiene en cuenta todos estos factores, se llegará a una
solución técnica y económica más conveniente.
Figura No 4.21 Tipos de sección de canales
SECCIÓN
ÁREA
HIDRÁULICA
A
PERÍMETRO
MOJADO PM
RADIO
HIDRÁULICO
R
ESPEJO DE
AGUA T
RECTANGULAR
by b+2y by/(b+2y) b
TRAPEZOIDAL
(b+zy)y √
√
b+2zy
TRIANGULAR
zy2
2y√
√
2zy
CIRCULAR
( )
( ) ó
√
PARABÓLICA
2/3 Ty T+(8y2/3T)
Fuente: Criterios de Diseño de Obras Hidráulicas para la Formulación de Proyectos
Hidráulicos

- 74 -
Rugosidad
Esta depende del cauce y el talud, dado a las paredes laterales del
mismo, vegetación, irregularidad y trazado del canal, radio hidráulico y
obstrucciones en el canal. En canales proyectados con revestimiento, la
rugosidad es función del material usado, que puede ser de concreto,
tubería PVC o HDP o metálica, o si van a trabajar a presión atmosférica o
presurizados.
El cuadro No 4.6 da valores de “n” estimados, estos valores pueden ser
refutados con investigaciones y manuales, sin embargo no dejan de ser
una referencia para el diseño.
Talud apropiado según el tipo de material
La inclinación de las paredes laterales de un canal, depende de varios
factores pero en especial de la clase de terreno donde están alojados, la
U.S. BUREAU OF RECLAMATION recomienda un talud único de 1,5:1
para sus canales, a continuación se presenta un cuadro de taludes
apropiados para distintos tipos de material:
Cuadro No 4.7 Taludes apropiados para distintos tipos de material
Material Talud (h:v)
Roca
Prácticamente
vertical
Suelos de turba y detritos 0,25:1
Arcilla compacta o tierra con recubrimiento de
concreto
0,5:1 hasta 1:1
Tierra con recubrimiento de piedra o tierra en
grandes canales
1.1
Arcilla firme o tierra en canales pequeños 1,5:1
Tierra arenosa suelta 2:1
Greda arenosa o arcilla porosa 3:1
Fuente: Aguirre Pe, Julián, “Hidráulica de canales”, Centro Interamericano de Desarrollo
de Aguas y Tierras – CIDIAT, Mérida, Venezuela

- 75 -
Cuadro No 4.6 Valores de rugosidad “n” de Manning
SUPERFICIE n
Superficie metálica, lisa, sin pintar
Superficie metálica, lisa pintada
Superficie metálica, corrugada
Cemento liso
Mortero de cemento
Madera cepillada
Madera sin cepillar
Tablones sin cepillar
Concreto liso
Concreto bien acabado, usado
Concreto frotachado
Concreto sin terminar
Gunita (sección bien terminada)
Gunita (sección ondulada)
Superficie asfáltica lisa
Superficie asfáltica rugosa
Tierra, limpia, sección nueva
Tierra, limpia, sección antigua
Tierra gravosa
Tierra, con poca vegetación
Tierra, con vegetación
Tierra, con piedras
Tierra, con pedrones
Para secciones circulares (trabajado como canal)
Metal, liso
Acero soldado
Acero riveteado
Fierro fundido
Cemento
Vidrio
0,012
0,013
0,025
0,011
0,013
0,012
0,013
0,014
0,013
0,014
0,015
0,017
0,019
0,022
0,013
0,016
0,018
0,022
0,025
0,027
0,035
0,035
0,040
0,010
0,012
0,016
0,013-0,014
0,011-0,013
0,010
Fuente: Criterios de Diseño de Obras Hidráulicas para la Formulación de Proyectos
Hidráulicos

- 76 -
Velocidades máximas y mínimas permisibles
La velocidad mínima permisible es aquella velocidad que no permite
sedimentación, este valor es muy variable y no puede ser determinado
con exactitud, cuando el agua fluye sin limo este valor carece de
importancia, pero la baja velocidad favorece el crecimiento de las plantas,
en canales de tierra. El valor de 0,8 m/s se considera como la velocidad
apropiada que no permite sedimentación y además impide el crecimiento
de plantas en el canal.
La velocidad máxima permisible, generalmente se estima empleando la
experiencia local o el juicio del ingeniero; las siguientes tablas nos dan
valores sugeridos.
Cuadro No 4.8 Máxima velocidad permitida en canales no recubiertos de
vegetación
MATERIAL DELA
CAJA
“n”
MANNING
VELOCIDAD (m/s)
AGUA
LIMPIA
AGUA CON
PARTÍCULAS
COLOIDALES
AGUA
TRANSPORTANDOARENA,
GRAVA O FRAGMENTOS
Arena fina
coloidal
0,020 1,45 0,75 0,45
Franco arenoso
no coloidal
0,020 0,53 0,75 0,60
Franco limoso
no coloidal
0,020 0,60 0,90 0,60
Limos aluviales
no coloidales
0,020 0,60 1,05 0,60
Franco
consistente
normal
0,020 0,75 1,05 0,68
Ceniza
volcánica
0,020 0,75 1,05 0,60
Arcilla
consistente muy
coloidal
0,025 1,13 1,50 0,60
Limo aluvial
coloidal
0,025 1,13 1,50 0,90
Pizarra y capas
duras
0,025 1,80 1,80 1,50
Grava fina 0,020 0,75 1,50 1,13
Suelo franco
clasificado no
coloidal
0,030 1,13 1,50 0,90
Suelo franco
clasificado
coloidal
0,030 1,20 1,65 1,50
Grava gruesa
no coloidal
0,025 1,20 1,80 1,95
Gravas y
guijarros
0,035 1,80 1,80 1,50
Fuente: Krochin Sviatoslav. “Diseño Hidráulico”, Ed. MIR, Moscú.

- 77 -
Para velocidades máximas en general, los canales viejos soportan
mayores velocidades que los nuevos; además un canal profundo
conducirá el agua a mayores velocidades sin erosión, que otros menos
profundos.
Cuadro No 4.9 Velocidades máximas en hormigón en función de su
resistencia
RESISTENCIA
(Kg/cm2)
PROFUNDIDAD DEL TIRANTE (m)
0,50 1 3 5 10
50 9,6 10,6 12,3 13,0 14,1
75 11,2 12,4 14,3 15,2 16,4
100 12,7 13,8 16,0 17,0 18,3
150 14,0 15,6 18,0 19,1 20,6
200 15,6 17,3 20,0 21,2 22,9
Fuente: Krochin Sviatoslav. “Diseño Hidráulico”, Ed. MIR, Moscú.
El cuadro No. 4.9 da valores de velocidad admisibles altos, sin embargo la
U.S. BUREAU OF RECLAMATION, recomienda que para el caso de
revestimiento de canales de hormigón no armado, las velocidades no
deben exceder de 2,5 – 3,0 m/s. Para evitar la posibilidad de que el
revestimiento se levante.
Cuando se tenga que proyectar tomas laterales u obras de alivio lateral,
se debe tener en cuenta que las velocidades tienen que ser previamente
controladas, con la finalidad que no se produzca turbulencias que originen
perturbaciones y no puedan cumplir con su objetivo.
Borde libre
Es el espacio entre la cota de la corona y la superficie del agua, no existe
ninguna regla fija que se pueda aceptar universalmente para el cálculo del
borde libre, debido a que las fluctuaciones de la superficie del agua en un
canal, se puede originar por causas incontrolables.

- 78 -
La U.S. BUREAU OF RECLAMATION recomienda estimar el borde libre
con la siguiente fórmula:
√ (4.39)
Donde:
C = 1,5 para caudales menores a 20 pies3
/s hasta 2,5 para caudales del
orden de los 3000 pies3
/s.
y = tirante del canal (pies)
En el Sistema Internacional de Medidas:
√ (4.40)
Donde:
borde libre (m)
calado del canal (m)
coeficiente para borde libre que varía entre 1,5 para Q=0,57 m3
/s y
2,5 para Q= 85 m3
/s
La secretaría de Recursos Hidráulicos de México, recomienda los
siguientes valores en función del caudal:
Cuadro No 4.10 Borde libre en función del caudal
Caudal m3
/s Revestido (cm) Sin revestir (cm)
≤0,05 7,5 10,0
0,05-0,25 10,0 20,0
0,25-0,50 20,0 40,0
0,50-1,00 25,0 50,0
>1,00 30,0 60,0
Fuente: Ministerio de Agricultura y Alimentación, Boletín Técnico N- 7 “Consideraciones
Generales sobre Canales Trapezoidales” Lima

- 79 -
Cuadro No 4.11 Borde libre en función de la plantilla del canal
Ancho de la plantilla (m) Borde libre (m)
Hasta 0,8 0,4
0,8-1,5 0,5
1,5-3,0 0,6
3,0-20,0 1,0
Fuente: Villón Béjar, Máximo; “Hidráulica de canales”, Dpto. de Ingeniería Agrícola –
Instituto Tecnológico de Costa Rica, Editorial Hozlo, Lima
4.5. PARÁMETROS GENERALES PARA EL TANQUE DE CARGA
4.5.1. Tanque reservorio
Está compuesto por una cámara de almacenamiento de agua con su
respectiva pendiente transversal, misma que garantiza la limpieza del
tanque.
Se debe considerar una altura mínima de sumergencia sobre la turbina
para un descenso máximo del nivel de agua en el tanque de presión, se
recomienda colocar 1,00 m sobre la clave de la tubería. En el caso que la
turbina necesite mayor caudal que el que proporciona el canal, se deberá
vaciar el tanque, en la que se deberá prever el volumen necesario para
que este el agua por encima del nivel mínimo aceptable, para satisfacer lo
mencionado se toma la siguiente expresión:
(4.41)
Donde:
= volumen de retención requerido en el tanque de presión .
= pendiente del canal de aproximación.
= área de flujo del canal de aproximación expresada (m).
= velocidad media del agua en el canal de aproximación (m/s).
aceleración de la gravedad

- 80 -
4.5.2. Rejilla de entrada a la tubería de presión
Las rejillas se las ubica entre el tanque y la tubería de presión con la
finalidad de evitar el paso de materiales flotantes en la tubería.
Generalmente se coloca pletina de 50x5mm o de 60x6mm de sección, se
las puede instalar en paneles de 0,5m de ancho, además tenemos que
ver el tipo de turbina se va a instalar para la separación correcta de las
pletinas, se recomienda:
Cuadro No 4.12 Valores de separación de pletinas para cada turbina
SEPARACIÓN (mm) PARA TURBINAS
50mm - 200mm De hélice
32mm - 100mm Francis
20mm - 65mm Pelton
Fuente: Sokolov. D. Y. Aprovechamiento de Energía Hidráulica. Moscú
Es así que se evalúa la pérdida de altura debido a la resistencia en la
rejilla, en la que se expresa la altura de velocidad del flujo de
aproximación, mediante la ecuación (2.9) y será válida cuando se coloque
en la dirección del flujo.
( ) (4.42)
Donde:
= velocidad de aproximación delante de la rejilla
= espesor de los barrotes
= separación entre barrotes
= coeficiente que varía según la forma de la sección transversal del
barrote. Asumir para pletinas comunes de sección rectangular de 2,42
β = inclinación de la rejilla con respecto a la horizontal

- 81 -
Fotografía No 4.1 Rejilla en el tanque de carga
Figura No 4.22 Esquema de rejilla.
REJILLA
TANQUE DE CARGA

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